不稳定粒子

不稳定粒子

就我们所知，电子是一种稳定粒子。所谓稳定并非说它不会发生任何变化。如果一个电子遇到一个正电子，两者就会相互湮没并转变成光子。如果电子与正电子以外的其他粒子相撞，会发生其他类型的变化。

然而，假如电子被释放进入宇宙空间并且没有遇到其他任何粒子，那么它将会（就目前我们所知)一直存在下去，并保持其所有特性永不发生变化。

正电子、中微子和反中微子也都一样。在发现μ子之前，这四种已知的轻子都是稳定粒子。（在20世纪30年代发现的两种玻色子，即光子和引力子也一样。)

至于那些不是轻子的粒子，那些在μ子之前发现的粒子——质子、反质子、中子和反中子——其中质子和反质子似乎也是稳定粒子（虽然现在对此有所怀疑，就像后面将会看到的那样)。

中子和反中子是不稳定粒子。如果一个中子从任何一种其他粒子中被释放出来，它无论如何都会蜕变成一个质子、一个电子和一个反中微子，而一个反中子会蜕变成一个反质子、一个正电子和一个中微子。不过，这是一个相对缓慢的过程，平均需要大约几分钟的时间。此外，当中子变成非放射性核的组成部分时，它是稳定的，并能一直存在而不发生变化。然而，μ子却会在几乎一瞬间就蜕变成电子。当普通μ子完全单独存在时，蜕变只需1/500 000秒。

那么μ子存在的时间为什么会如此之短呢？根据我在前面已经用到的比喻，电子被推上了质量“斜坡”，它滞留“坡顶”的质量相当于“谷底”质量的207倍。我们可以把“坡顶”说成是一个狭条，μ子振动或抖动着滞留在“坡顶”。这种抖动的结果迟早会使μ子离开“坡顶”而滑入“谷底”，并重新变成电子。根据“坡顶”的宽窄程度和抖动的量级，上面所说的“迟早”是1/500 000秒。

所有物体，包括你和我，都会表现出某种形式的抖动，因为根据量子力学显示，所有物体都与某种波形有关。对于普通物体而言，这种抖动极其微小，因而并不重要。而质量愈小，抖动相对于物体的大小而言就愈明显。亚原子粒子的质量非常小，因而其抖动就变得相当重要，在研究它们的性质时，就必须考虑抖动的影响。

电子也有抖动——它的抖动甚至比μ子还要明显——但是电子处于“谷底”，它不可能进一步下降，因此它是稳定粒子。

1975年，美国物理学家佩尔在加速器内撞击产生的碎片中探测到一种比μ子更重的像电子一样的粒子。他把这种粒子命名为τ轻子，这里的τ（tau)是希腊语中的一个字母，相当于英语字母t。人们也称它为τ子。

τ子除了两种性质以外，具有电子和μ子的其他所有性质。这两种不同的性质之一是质量不同。τ子是一种超重电子，它的质量是电子的3 500倍，是μ子的将近17倍。它的质量几乎是质子或中子的2倍，但从它的秉性来看显然属于轻子，虽然这个名字主要还是用于那些人们熟悉的质量较小或没有质量的粒子。（这听上去也许与日常观念有些混淆，甚至有些矛盾，一个用于表示小概念的名字却要用于一个非常重的粒子，不过请考虑一下下面这种类似的情况。爬行类动物，包括短吻鳄、大蟒蛇和已灭绝的恐龙，如果把每一组作为一个整体考虑的话，它们都是比昆虫大得多的动物。然而，也有像你的拳头那么大的巨型甲壳虫，还有像指尖那么小的蜥蜴；甲壳虫再大还是昆虫，而蜥蜴再小仍然是爬行类动物。)

τ子的第二个不同在于它的不稳定性。它的不稳定性比μ子更严重，因为它会在一万亿分之五秒内发生蜕变。在蜕变过程中，它先变为μ子，最终变为电子。

我们可以设想，τ子的形成是由于它获得能量而被推上很高的质量“斜坡”的结果。它所达到的“坡顶”比μ子所在的“坡顶”更高也更狭窄。τ子滞留在“坡顶”的时间会更加短暂，随即就会落下。那么我们有没有可能找到比τ子更重、更不稳定的轻子呢？在我们比喻的“斜坡”上是否存在着无数个“坡顶”，而且每个“坡顶”都比前一个更高、更狭窄呢？

显然不能。物理学家有理由相信，根据近来进行的一些相当复杂的观测，轻子的范围就限于这三种。现在，我们可以说已经发现了所有存在的轻子。

如果存在τ原子的话，它们会比μ原子更小，因此也更容易融合。现在，你也许看到了这种机遇，但是这些重轻子实在太不稳定了，以至于根本不能作为聚变的实用方法。在我们还没有来得及对它们采取任何行动之前它们就已经消失了。